靜態(tài)高效電能機(jī)及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)絕大多數(shù)都是旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)，分為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)式和旋轉(zhuǎn)電樞式兩大類(lèi)；太陽(yáng)能光伏電池屬于一種靜態(tài)發(fā)電，但其受到天氣和時(shí)段的影響以及成本高昂不利于普及推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有技術(shù)之上大膽創(chuàng)新推出3種輸出電能均遠(yuǎn)大于輸入電能的全新電力能源設(shè)備——靜態(tài)高效電能機(jī)。
[0004]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供多種以移動(dòng)式靜態(tài)高效電能機(jī)組作為動(dòng)力電源的陸?？针妱?dòng)交通運(yùn)輸作業(yè)工具。
[0005]本發(fā)明所提供的3種靜態(tài)高效電能機(jī)屬于一個(gè)總的發(fā)明構(gòu)思，是在變壓器的基礎(chǔ)上，利用特有的電學(xué)現(xiàn)象改造創(chuàng)新而成，因?yàn)檩敵龅碾娔苓h(yuǎn)大于輸入的電能，所以稱(chēng)為電能機(jī)，而現(xiàn)有的各種發(fā)電機(jī)，輸出的電能均小于輸入的機(jī)械能或其他形式的能。說(shuō)明如下:
[0006]1.串聯(lián)諧振型靜態(tài)高效電能機(jī):由控制電源和串聯(lián)諧振裝置以及降壓變壓器組成；串聯(lián)諧振裝置由高壓電感線(xiàn)圈或可變高壓電感線(xiàn)圈以及高壓電容器或可變高壓電容器串聯(lián)組成；降壓變壓器的輸入(高壓)線(xiàn)圈與控制電源的輸出線(xiàn)圈或者還有可變補(bǔ)償高壓電感線(xiàn)圈串聯(lián)共同組成電感線(xiàn)圈，電路中的諧振電感量為各線(xiàn)圈串聯(lián)形成的等效電感量，電路中的電阻為各線(xiàn)圈串聯(lián)形成的等效電阻，串聯(lián)回路以調(diào)節(jié)電容量或調(diào)節(jié)電感量或電感量與電容量雙調(diào)的方式實(shí)現(xiàn)諧振。工作時(shí)控制電源輸入頻率固定電壓可調(diào)的交流電；在電能機(jī)的容量范圍內(nèi)，可變補(bǔ)償電感器的電感量或可變電容器的電容量根據(jù)電能機(jī)輸出端電壓的變化能夠手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，不論負(fù)載大小，都能使LC電路的固有振蕩頻率與外加電源頻率相同，確保串聯(lián)諧振持續(xù)穩(wěn)定；可變補(bǔ)償電感器和變壓器的高壓線(xiàn)包采用絕緣樹(shù)脂灌封，連接線(xiàn)采用高壓絕緣防水電線(xiàn)，各連接處絕緣密封；靜態(tài)電能機(jī)中的高壓部件經(jīng)絕緣樹(shù)脂灌封后安裝在設(shè)有冷卻介質(zhì)進(jìn)出口的絕緣容器內(nèi)，達(dá)到高電壓防水級(jí)高強(qiáng)度多重絕緣，確保安全，系統(tǒng)部件在工作中發(fā)熱時(shí)可用冷氣或空氣或循環(huán)水或循環(huán)油強(qiáng)制冷卻?？刂齐娫唇?jīng)過(guò)漏電保護(hù)器以及空氣開(kāi)關(guān)與諧振電路相連，變壓器輸出端低壓線(xiàn)圈的引出線(xiàn)經(jīng)過(guò)漏電保護(hù)器以及空氣開(kāi)關(guān)與用電設(shè)備連接；控制電源輸出端的內(nèi)電阻以及電感線(xiàn)圈和變壓器高壓線(xiàn)包的電阻盡可能低，等效電阻越低包括電源在內(nèi)的整個(gè)串聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)就越高，串聯(lián)諧振型靜態(tài)電能機(jī)的效率也就越高；串聯(lián)電感線(xiàn)圈的等效感抗與電容器的容抗大小相等時(shí)串聯(lián)電路發(fā)生諧振，電抗X = XL-XC= 0，總阻抗Z = R，串聯(lián)電路中電流的大小決定于電路電阻和電源電壓，I =U/R。串聯(lián)電感與電容兩端的諧振電壓大小相等，方向相反，此時(shí)電路相當(dāng)于一個(gè)純電阻性負(fù)載電路，電路中的電壓與電流同相。在電源電壓不變的情況下，串聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)越高，電感或電容兩端的諧振電壓就越高，uL= Uc= IXL= IXc=QU。當(dāng)\> > R或X ε> > R時(shí)，則分電壓h或U ^遠(yuǎn)大于總電壓U，這種分電壓大于總電壓的現(xiàn)象，只有在串聯(lián)諧振電路中才會(huì)發(fā)生。
[0007]串聯(lián)諧振型靜態(tài)高效電能機(jī)輸出功率與輸入功率的比值等于串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q = IUL/IU = IUc/IUo提高串聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)通常有4個(gè)方法:1.電容器的損耗系數(shù)盡可能??；2.電感線(xiàn)圈中的鐵芯損耗盡可能低；3.電感線(xiàn)圈的電阻盡可能低；4.諧振頻率盡可能高。降壓變壓器輸入線(xiàn)圈兩端分配的諧振電壓由其感抗決定，輸入端的感抗與輸出端的負(fù)載成反比。降壓變壓器的線(xiàn)圈匝數(shù)固定不變，通過(guò)輸入線(xiàn)圈(串聯(lián)電路)的電流額定不變，盡管輸入線(xiàn)圈兩端的諧振電壓會(huì)隨著輸出端負(fù)載的大小發(fā)生相應(yīng)的變化，但降壓變壓器輸入的等效功率不論輸出端的負(fù)載大小都能保持額定不變。通常變壓器的輸入端和輸出端沒(méi)有電的連接只有磁的互感(自耦調(diào)壓器除外)，空載時(shí)變壓器的主磁通Φ由空載磁通勢(shì)1。&產(chǎn)生，激磁電流很小，額定負(fù)載時(shí)Φ1略大于Φ2，磁通勢(shì)I Λ?I 2Ν2。
[0008]串聯(lián)諧振電路的實(shí)際應(yīng)用:在電子技術(shù)中，常利用串聯(lián)諧振時(shí)電感和電容兩端產(chǎn)生高電壓的特征，把微弱的訊號(hào)電壓輸入到LC串聯(lián)電路中，使其發(fā)生諧振，從而在電感或電容兩端獲得比輸入電壓大Q倍的電壓，如收音機(jī)的接收回路就是如此；在強(qiáng)電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用串聯(lián)諧振裝置產(chǎn)生高電壓，為變壓器、發(fā)電機(jī)以及高壓電纜等電力設(shè)備做耐壓試驗(yàn)，是檢驗(yàn)電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度的最有效、最直接和最經(jīng)濟(jì)的方法。
[0009]獲得高壓電能目前有三種途徑:1.發(fā)電機(jī)；2.變壓器；3.串聯(lián)諧振裝置。發(fā)電機(jī)和變壓器輸出的電能均小于輸入的能量，唯獨(dú)只有串聯(lián)諧振裝置輸出的電能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入的電能。這是因?yàn)榇?lián)諧振裝置利用電感器和電容器產(chǎn)生諧振，從而得到所需高電壓和大電流，在整個(gè)系統(tǒng)中，電源只需要提供系統(tǒng)中有功消耗的部分(即電感線(xiàn)圈的銅消耗與電感鐵芯的鐵損耗以及電容器的漏電與介質(zhì)損耗)，系統(tǒng)所需的電源功率只有輸出功率的1/Q倍。因此，利用串聯(lián)諧振原理工作的靜態(tài)高效電能機(jī)能夠根據(jù)實(shí)際需要制造成功率小到幾瓦大到上百萬(wàn)千瓦的各種微、小、中、大以及特大型的功率等級(jí)，滿(mǎn)足各種用電需求。
[0010]2.并聯(lián)諧振型靜態(tài)高效電能機(jī)::由控制電源和并聯(lián)諧振裝置以及耦合變壓器組成；并聯(lián)諧振裝置由耦合變壓器的輸入線(xiàn)圈和可變電容器并聯(lián)組成，工作時(shí)控制電源輸入固定頻率的交流電，并聯(lián)回路以調(diào)節(jié)電容量的方式實(shí)現(xiàn)諧振；控制電源輸出端的內(nèi)電阻盡可能高；電路產(chǎn)生的諧振大電流通過(guò)耦合變壓器的輸入線(xiàn)圈，在輸出線(xiàn)圈中引發(fā)電磁感應(yīng)，對(duì)外輸出電能。并聯(lián)諧振是一種完全的無(wú)功功率補(bǔ)償電路，電源不需要提供無(wú)功功率，只需提供線(xiàn)圈銅損以及鐵損還有電容器消耗的有功功率。并聯(lián)諧振時(shí)總阻抗最大Z = L/RC，盡管總電流最小I = URC/L，但支路電流卻可能很大，這時(shí)流過(guò)電感線(xiàn)圈的電流U/Xji流過(guò)電容的電流Ie= U/Xe達(dá)到最大值，且大小相等，方向相反，相互抵銷(xiāo)，這種支路電流遠(yuǎn)大于總電流的現(xiàn)象只有在并聯(lián)諧振電路中才會(huì)發(fā)生，系統(tǒng)部件在工作中發(fā)熱時(shí)可用冷氣或空氣或循環(huán)水或循環(huán)油強(qiáng)制冷卻。
[0011]3.磁通交替閉合型靜態(tài)高效電能機(jī):其磁路與電路由2對(duì)感應(yīng)線(xiàn)圈及其鐵芯、2對(duì)磁極方向固定的電磁鐵或永磁鐵以及1個(gè)處于中心位置、磁極方向隨輸入交流電交替變化的雙向電磁鐵組成；高低不同的兩組交替閉合型部件十字形分布，每一組位于中間交變磁通左右兩邊的固定磁鐵同極性設(shè)置，兩組磁鐵在同一方向上異極性設(shè)置，中間共用的交變磁通不論其磁極方向怎樣變化，都能與兩個(gè)方向上固定的異性磁極相吸閉合，同時(shí)在4個(gè)輸出線(xiàn)圈中引發(fā)電磁感應(yīng)。只要交變磁通能夠形成閉合磁路，勵(lì)磁線(xiàn)圈中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)就有較高值，通過(guò)勵(lì)磁線(xiàn)圈的電流相當(dāng)于同容量變壓器的空載或輕載電流，磁通交替閉合型靜態(tài)高效電能機(jī)適合50Hz以下頻率的交流電輸入。
[0012]靜態(tài)獨(dú)立電能機(jī):由可充電電池或超級(jí)電容、頻率固定電壓可調(diào)的逆變電源、整流器、智能控制器以及靜態(tài)電能機(jī)組成一套能夠獨(dú)立運(yùn)行的靜態(tài)高效電能機(jī)組。
[0013]移動(dòng)式靜態(tài)電能機(jī):所述串聯(lián)和并聯(lián)諧振型靜態(tài)電能機(jī)的工作頻率在50Hz?500KHZ之間選定，為了最大限度地減輕重量縮小體積以及最大限度提高系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，諧振頻率盡可能要高。在綜合考量各方面因素的前提下，移動(dòng)式靜態(tài)電能機(jī)的工作頻率最低在400Hz及以上。電能機(jī)產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流器轉(zhuǎn)換成直流電輸出或經(jīng)變頻器轉(zhuǎn)換成用電設(shè)備所需頻率的交流電輸出。
[0014]三相靜態(tài)電能機(jī):由3臺(tái)相同的單相靜態(tài)電能機(jī)組成或由3套相同的諧振裝置與一個(gè)三相變壓器組成。
[0015]本發(fā)明的有益效果:由于所述3種靜態(tài)高效電能機(jī)都具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)旋轉(zhuǎn)部件、體積小、容量大、輸人小、輸出大、零排放、無(wú)噪音的特點(diǎn)，可不受時(shí)間、空間、地理、氣候、環(huán)境的影響和限制，能為需要電能的各種電器、機(jī)器、工具、設(shè)備長(zhǎng)期獨(dú)立提供安全、潔凈、穩(wěn)定、免費(fèi)的電能，滿(mǎn)足各種用電需求。
[0016]本發(fā)明還涉及靜態(tài)高效電能機(jī)在以下交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用:
[0017]1.陸路自能電動(dòng)車(chē):以移動(dòng)式靜態(tài)高效電能機(jī)組作為配套動(dòng)力電源，以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的各種輪式或履帶式電動(dòng)交通運(yùn)輸作業(yè)工具。
[0018]2.鐵路自能電動(dòng)車(chē):以移動(dòng)式靜態(tài)高效電能機(jī)組作為配套動(dòng)力電源，以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的軌道交通運(yùn)輸工具。
[0019]3.水路自能電動(dòng)船:以移動(dòng)式靜態(tài)高效電能機(jī)組作為配套動(dòng)力電源，以電動(dòng)機(jī)作為螺旋槳或高壓水栗或高壓氣栗的動(dòng)力源，以螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)或高壓水流向船后噴射或高壓氣流向船后噴射產(chǎn)生的反沖力作為推進(jìn)動(dòng)力或以超導(dǎo)體產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，以電極在水中放電形成強(qiáng)電流，以直線(xiàn)強(qiáng)電流或運(yùn)動(dòng)電荷在超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)中相互作用產(chǎn)生的洛侖茲力或安培力作為推進(jìn)動(dòng)力的各種水面或水下交通運(yùn)輸工具。
[0020]4.自能電動(dòng)飛行器:以移動(dòng)式靜態(tài)高效電能機(jī)組作為配套動(dòng)力電源，以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的各種垂直升降式航空飛行器或以壓縮空氣經(jīng)過(guò)大功率渦流加熱器或電阻加熱器或高頻電磁加熱器快速加熱轉(zhuǎn)變成高溫高壓的熾熱氣體高速?lài)娚洚a(chǎn)生的反沖力作為推進(jìn)動(dòng)力的噴氣式航空飛行器或以超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)或超大功率電磁波或超強(qiáng)電場(chǎng)或超高溫等離子作為推進(jìn)動(dòng)力的空天飛行器。
[0021]5.陸海空三棲電動(dòng)航行器:以移動(dòng)式靜態(tài)高效電能機(jī)組作為配套動(dòng)力電源，以電動(dòng)機(jī)或電能作為動(dòng)力源